2.2.1. Mục tiêu và yêu cầu đối với hệ thống xử lý nước thải:
Nước thải phân xưởng mạ kẽm chính là vấn đề quan tâm hàng đầu của các nhà máy hoạt động trong lĩnh vực mạ điện. Nước thải này chứa nhiều các kim loại nặng, độc hại với mơi trường xung quanh. Do đĩ việc xây dựng lắp đặt hệ thống xử lý nước thải phân xưởng mạ chính là một giải pháp gĩp phần giải quyết vấn đề trên. Khi thiết kế hệ thống xử lý nước thải phân xưởng mạ cần phải đảm bảo các yêu cầu và mục tiêu sau:
a. Yêu cầu về mơi trường: Phải đảm bảo các điều kiện vệ sinh lao động cho
cơng nhân làm việc tại phân xưởng mạ và cơng nhân vận hành hệ thống xử lý. Nước thải ra mơi trường sau khi xử lý đảm bảo chất lượng nước thải theo tiêu chuẩn nước thải cơng nghiệp ít nhất là loại B theo QCVN 40: 2011/BTNMT. Chấp hành nghiêm chỉnh các quy định của pháp luật Việt Nam về bảo vệ mơi trường.
b. Yêu cầu về kĩ thuật: Việc xây dựng, lắp đặt hệ thống xử lý nước thải phải
phù hợp với mặt bằng cơng nghệ mạ. Hệ thống xử lý phải bố trí hợp lý, đảm bảo cho cơng nhân vận hành dễ dàng, dễ đo đạc, kiểm tra đồng thời nước thải sau xử lý phải đạt tiêu chuẩn cho phép.
c. Yêu cầu về kinh tế: Mức độ đầu tư cho hệ thống xử lý cần phù hợp với
tình hình tài chính của cơng ty. Hệ thống xử lý lắp đặt phải đảm bảo hiệu quả vốn đầu tư và khả năng cạnh tranh về giá thành sản phẩm của nhà máy trong quá trình sản xuất, kinh doanh trên thị trường.
2.2.2. Đặc trưng của dịng thải:
Phân xưởng mạ kẽm của Cơng ty Hồng Nguyên hoạt động với cơng suất 8h/ngày. Dựa vào các thơng số đầu vào của đề bài thiết kế như sau:
+ Tổng lưu lượng nước thải: 30 m3/ngày. + Các thơng số:
• Nhiệt độ: 280C
• Zn: 16 mg/l
Yêu cầu nước thải sau xử lý đạt loại B theo QCVN 40: 2011/BTNMT:
STT Chỉ tiêu Đơn vị QCVN 40: 2011/BTNMT
1 pH - 5,5 đến 9
2 Chất rắn lơ lửng mg/l 100
3 Kẽm mg/l 3
2.2.3. Lựa chọn phương pháp xử lý nước thải:
Các chất ơ nhiễm chính trong nước thải phân xưởng mạ là ion kim loại Zn2+. Do đĩ vấn đề lớn nhất trong xử lý nước thải mạ kẽm chính là loại bỏ ion kim loại ra
khỏi nước thải. Việc xử lý các ion kim loại này cĩ thể áp dụng nhiều phương pháp trong số các phương pháp đã đề cập ở trên. Mỗi phương pháp đều cĩ những ưu nhược điểm và giới hạn áp dụng riêng. Trên thực tế, khi tiến hành thiết kế hệ thống xử lý nước thải mạ điện, chúng ta cĩ thể tiến hành áp dụng một loại phương pháp hoặc áp dụng phối hợp nhiều phương pháp với nhau nhằm đảm bảo nước thải sau khi xử lý đảm bảo yêu cầu đã đưa ra. Hiện ở tại Việt Nam cĩ 2 phương pháp được sử dụng phổ biến nhất trong xử lý nước thải mạ điện, đĩ là phương pháp trao đổi ion và phương pháp phối hợp oxy hĩa khử cĩ kết tủa. Các phương pháp khác cịn lại, trên nguyên tắc đều cĩ thể sử dụng tuy nhiên chúng cĩ nhiều đặc điểm khơng phù hợp với điều kiện sản xuất tại Việt Nam như:
+ Đắt tiền, yêu cầu về vốn đầu tư lớn: phương pháp hấp phụ. + Yêu cầu về mặt bằng lớn: phương pháp sinh học.
+ Khĩ vận hành hoặc vận hành cần người cĩ chuyên mơn cao: phương pháp điện hĩa.
+ Giới hạn áp dụng hạn chế: phương pháp hấp phụ, phương pháp điện hĩa. Hai phương pháp trao đổi ion và oxy hĩa khử kèm kết tủa được áp dụng phổ biến hơn do chúng cĩ nhiều ưu điểm phù hợp với điều kiện sản xuất tại Việt Nam. Cụ thể:
* Phương pháp trao đổi ion:
+ Là phương pháp tiên tiến, hiện đại. + Vận hành dễ dàng.
+ Yêu cầu về diện tích xây dựng nhỏ, phù hợp với các cơ sở cĩ mặt bằng nhỏ, khơng cĩ quỹ đất để xây dựng hệ thống xử lý.
+ Dễ bố trí thiết bị.
+ Tốc độ xử lý nhanh, thao tác vận hành tương đối đơn giản.
+ Xử lý triệt để các kim loại nặng trong nước thải, cĩ thể thu hồi lại kim loại trong nước thải.
+ Khơng cĩ bùn thải.
+ Tuy nhiên, chi phí đầu tư ban đầu cao, chi phí vận hành cao và chỉ nên áp dụng đối với các cơ sở sản xuất cĩ lưu lượng nước thải < 15m3/ngày.
* Phương pháp oxy hĩa khử và kết tủa:
+ Là phương pháp cơ bản, phổ biến nhất được áp dụng tại Việt Nam trong việc xử lý nước thải mạ điện.
+ Vốn đầu tư xây dựng khơng cao.
+ Dễ xây dựng, dễ bố trí thiết bị, dễ vận hành. + Hĩa chất sử dụng rẻ, dễ kiếm.
+ Dễ điều chỉnh theo tình hình sản xuất của từng cơ sở sản xuất. Cĩ thể áp dụng cho các cơ sở mạ điện cĩ lưu lượng nước thải lớn.
+ Lượng bùn thải lớn.
+ Cần mặt bằng để lắp đặt hệ thống xử lý nên chỉ nên áp dụng đối với các cơ sở cĩ mặt bằng lớn.
+ Cần cĩ phịng định lượng hĩa chất.
Khi tiến hành so sánh hai phương pháp trên ta thấy phương pháp trao đổi ion tuy cĩ nhiều ưu điểm nhưng lại cĩ giá thành đầu tư cao hơn (tỉ suất đầu tư tính cho hệ thống xử lý nước thải cơng suất nhỏ theo phương pháp trao đổi ion thường gấp 2÷3 lần so với hệ thống xử lý nước thải theo phương pháp oxy hĩa khử và kết tủa. Ngồi ra với nhược điểm là chỉ nên áp dụng với các cơ sở cĩ lưu lượng nước thải nhỏ hơn 15 m3/ngày [3] thì phương pháp trao đổi ion khơng phù hợp với tình hình sản xuất của nhà máy vì lưu lượng nước thải của nhà máy là 30 m3/ngày. Như vậy phương pháp thích hợp nhất để xử lý nước thải là phương pháp oxy hĩa khử và kết tủa.
2.2.4. Phân tích, lựa chọn sơ đồ cơng nghệ xử lý nước thải mạ:
Cĩ rất nhiều căn cứ để lựa chọn một sơ đồ cơng nghệ phù hợp, tuy nhiên với việc thiết kế hệ thống xử lý, ta dựa trên một số nguyên tắc cơ bản sau:
+ Đặc điểm cơng nghệ sản xuất: dựa trên đặc điểm của dây chuyền cơng nghệ của nhà máy như cơng suất lớn hay nhỏ, hiện đại hay đã cũ, tự động hĩa hay thủ cơng để đưa ra sơ đồ cơng nghệ cho phù hợp cả về quy mơ, trình độ cơng nghệ, trình độ kĩ thuật của cơ sở sản xuất
+ Chất lượng nước đầu vào: điều này cho ta biết được lưu lượng và ơ nhiễm đặc trưng của dịng thải từ đĩ quyết định các phương pháp xử lý cĩ thể áp dụng, nhằm đảm bảo xử lý được nước thải theo mức độ xử lý yêu cầu.
+ Tách được các dịng sạch khơng cần xử lý: xác định các dịng thải sạch và tách dịng ra khỏi các dịng thải ơ nhiễm nhằm gĩp phần:
•Tiết kiệm lượng nước sử dụng. •Giảm lượng nước thải cần xử lý. •Giảm chi phí xử lý nước thải.
+ Đảm bảo chất lượng nước đầu ra đạt QCVN 40: 2011/BTNMT loại B: đây là tiêu chuẩn thải vào các nguồn tiếp nhận là các nguồn nước khơng dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt. Điều này sẽ quyết định mức độ xử lý của hệ thống để đưa ra các phương pháp xử lý phù hợp và hiệu quả.
+ Xử lý triệt để cĩ thể tận thu được kim loại sau này: điều này ảnh hưởng đến việc lựa chọn phương pháp, lựa chọn thiết bị và lựa chọn hĩa chất sử dụng để nhằm đảm bảo yêu cầu đặt ra ở trên.
+ Giá thành đầu tư nhỏ, chi phí vận hành thấp.
+ Cĩ khả năng thay đổi khi nhà máy cĩ sự mở rộng về quy mơ sản xuất.
Để xử lý nước thải một cách hiệu quả cho phân xưởng mạ, dựa trên các nguyên tắc đã đưa ra ở trên quy trình xử lý, nước thải ngành mạ với đặc tính: chứa hàm lượng kim loại nặng cao; pH dao động mạnh; COD, BOD thấp; hàm lượng SS nhỏ thì để xử lý nước thải mạ ta áp dụng các phương pháp xử lý chủ yếu sau: phương pháp cơ học (điều hịa lưu lượng, lắng), áp dụng phương pháp hĩa học (oxy hĩa – khử), phương pháp hĩa lý (keo tụ).
2.2.5.Sơ đồ quy trình cơng nghệ hệ thống xử lý nước thải:
Căn cứ vào phân tích ở trên, để xử lý các chất ơ nhiễm trong nước thải mạ kẽm tại xưởng mạ của Cơng ty Hồng Nguyên, ta áp dụng phương pháp xử lý theo sơ đồ cơng nghệ: Bể Điều Hịa Dịng Zn2+ Bể Kết Tủa NaOH Bể Lắng Bể chứa bùn Bể Trung Hịa H2SO4 Nước Ra
2.3. Cơ sở lý thuyết của phương pháp lựa chọn:
2.3.1. Điều hịa lưu lượng:
Điều hịa lưu lượng được dùng để duy trì dịng thải vào gần như khơng đổi, khắc phục những vấn đề vận hành do sự dao động lưu lượng nước thải gây ra và nâng cao hiệu suất của các quá trình ở cuối dây chuyền xử lý. Các kĩ thuật điều hịa được ứng dụng cho từng trường hợp phụ thuộc vào đặc tính của hệ thống thu gom nước thải. Các phương án bố trí bể điều hịa lưu lượng cĩ thể là điều hịa trên dịng thải hay ngồi dịng thải xử lý.
Phương án điều hịa trên dịng thải cĩ thể làm giảm đáng kể dao động thành phần nước thải đi vào các cơng đoạn phía sau, cịn phương án điều hịa ngồi dịng thải chỉ giảm được một phần nhỏ sự dao động đĩ.
Vị trí tốt nhất để bố trí bể điều hịa cần được xác định cụ thể cho từng hệ thống xử lý. Vị trí tối ưu của nĩ phụ thuộc vào loại xử lý, đặc tính của hệ thống thu gom và đặc tính của nước thải.
Bể điều hịa thường được thiết kế với chiều sâu từ 1,5÷2m. Thể tích bể điều
hịa cĩ thể tính theo cơng thức sau:
. ln 1 d d n n Q V k k τ = − [4] Trong đĩ: n max tb cf tb C C k C C − = −
Q: Lưu lượng nước thải, m3/h. kn: hệ số dập tắt dao động. τd: thời gian thải đột biến.
Cmax, Ctb, Ccf: nồng độ lớn nhất, trung bình và cho phép của chất gây ơ nhiễm (g/m3).
Thể tích bể điều hịa dùng để dập tắt sự dao động cĩ chu kì của thành phần các chất ơ nhiễm sẽ được tính theo cơng thức sau: Vđ = 0,16.kn.Q.τd
Tuy nhiên, trong một số trường hợp khi khơng xác định được nồng độ max và trung bình của nước thải đầu vào người ta cĩ thể tiến hành tính tốn thể tích bể điều hịa thơng qua thời gian lưu t của nước trong bể cĩ tính đến hệ số khơng điều hịa β (β = 1,5÷2,5) theo cơng thức V = Q. β.t. [4]
2.3.2. Lắng:
* Quá trình lắng của hạt: Trong xử lý nước thải, quá trình lắng được sử dụng để loại bỏ các tạp chất dạng huyền phù thơ ra khỏi nước. Sự lắng của các hạt xảy ra dưới tác dụng của trọng lực. Để tiến hành quá trình này, người ta thường dùng các loại bể lắng khác nhau (bể lắng ngang, bể lắng đứng, bể lắng Radian). Trong cơng nghệ xử lý nước thải, theo chức năng, các bể lắng được phân thành: bể lắng cát, bể lắng cấp I và bể lắng trong (cấp II). Bể lắng cĩ nhiệm vụ tách bùn, bơng keo ra khỏi nước thải. Các bể lắng đều phải thỏa mãn yêu cầu: cĩ hiệu suất lắng cao và xả bùn dễ dàng. Nước thải nĩi chung thường là hệ dị thể đa phân tán hợp thể khơng bền. Trong quá trình lắng, kích thước, mật độ, hình dạng của các hạt và cả tính chất vật lý của hệ bị thay đổi. Ngồi ra, khi hịa nhập vào nước thải cĩ thành phần hĩa học khác nhau cũng cĩ thể tạo thành các chất rắn, trong đĩ cĩ các chất đơng tụ. Những quá trình này sẽ làm ảnh hưởng tới hình dạng và kích thước hạt, gây phức tạp cho việc thiết lập quy luật thực của quá trình lắng.
Các tính chất của nước thải khác nhiều so với nước sạch. Nĩ cĩ khối lượng riêng và độ nhớt cao. Độ nhớt và khối lượng riêng của nước thải chỉ chứa các hạt rắn được tính theo cơng thức sau: [4]
0(1 2,5. )0 nt C µ =µ + ( ) . 1 nt r ρ = −ρ ρ −ε
Với: μnt; μo: độ nhớt động lực học của nước thải và nước sạch, Pa.s C0: nồng độ thể tích của các hạt lơ lửng, kg/m3.
ρ, ρnt: khối lượng riêng của nước sạch và nước thải, kg/m3 ε: phần thể tích của pha lỏng, ε được tính theo cơng thức sau:
L L R V V V ε = −
Với: VL; VK: thể tích của pha lỏng và pha rắn trong nước thải, m3.
Tùy thuộc vào nồng độ và khả năng tác động tương hỗ lẫn nhau giữa các hạt rắn, cĩ thể xảy ra 3 loại lắng chính (hay cịn gọi là vùng lắng): lắng từng hạt riêng rẽ, lắng keo tụ và lắng vùng bao gồm lắng tập thể và lắng chen:
+ Lắng loại I (lắng từng hạt riêng rẽ): đĩ là quá trình lắng của các hạt trong hỗn hợp huyền phù ở nồng độ thấp (loại cát, sỏi). Các hạt lắng hồn tồn riêng biệt khơng cĩ tác động qua lại với nhau. Cơ sở của quá trình lắng loại này là các định luật cổ điển: Định luật Newton và Stockes với giả thiết là các hạt hình cầu.
+ Lắng loại II (lắng keo tụ): Đĩ là quá trình lắng của các hạt kết tụ trong hỗn hợp huyền phù hơi lỗng, khi nồng độ các hạt rắn trong dung dịch tương đối thấp, chúng sẽ lắng khơng giống nhau và sẽ kết hợp lại với nhau trong quá trình lắng. Ảnh hưởng này chỉ cĩ thể xác định bằng thực nghiệm: người ta sử dụng cột lắng cĩ chiều cao bằng chiều sâu thực của bể lắng. Loại lắng này thường được áp dụng để loại một phần chất rắn lơ lửng trong xử lý nước thải chưa xử lý trong các cơng trình xử lý lắng sơ cấp và phần trên của bể thứ cấp, các loại hạt bơng keo tụ hĩa học trong các bể kết tủa.
+ Lắng loại III (lắng vùng): bao gồm 2 loại lắng tập thể và lắng chen.
Lắng tập thể: đĩ là quá trình lắng của các hạt lơ lửng trong hỗn hợp huyền phù cĩ nồng độ trung bình. Trong đĩ lực tương tác giữa các hạt cản trở sự lắng của các hạt bên cạnh. Vì vậy các hạt cĩ xu hướng vẫn ở lại cùng một vị trí với nhau thành một khối cùng lắng xuống, tạo thành một mặt phân cách giữa pha lỏng và pha rắn ở phía trên khối hạt rắn lắng. Loại lắng này thường được sử dụng trong các cơng trình lắng thứ cấp tiếp ngay sau cơng trình xử lý sinh học.
Lắng chen: đĩ là quá trình của các hạt trong hỗn hợp huyền phù cĩ nồng độ ở mức tạo nên một cấu trúc, tại đĩ các hạt rắn lắng tiếp chỉ do sự nén ép của cấu trúc đĩ. Sự nén ép này xảy ra là do trọng lượng của các hạt rắn liên tiếp thêm vào bởi sự lắng của chúng từ lớp lỏng ở phía trên. Tốc độ lắng chen nhỏ hơn tốc độ lắng tự do, do xuất hiện dịng chất lỏng đi ngược lên và độ nhớt lớn của mơi trường. Loại lắng
này thường xảy ra trong lớp dưới của khối bùn nằm sâu ở đáy của bể lắng thứ cấp hay thiết bị làm đặc bùn.
Quá trình thiết kế bể lắng làm việc ở điều kiện lắng vùng bao gồm:
1. Tính diện tích bề mặt tối thiểu cần thiết để gạn trong, tách bùn ra khỏi nước.
2. Tính diện tích bề mặt tối thiểu để làm đặc bùn đến nồng độ yêu cầu.
3. Lấy diện tích lớn nhất của hai diện tích trên để thiết kế diện tích bề mặt cần thiết cho thiết bị lắng.
Diện tích tối thiểu cần thiết để gạn trong phụ thuộc vào vận tốc lắng W1 và được tính từ cơng thức: 1 W lt Q A = [4] Trong đĩ:
Alt: diện tích bể lắng trong, m2. Q: lưu lượng nước thải m3/h.